JP2015141218A - Optical coupling structure, optical coupler, and optical module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光結合構造並びにそれを用いた光結合器及び光モジュールに関し、より詳細には、異なるコア数を有する2つの光導波路の間で導波光を互いに変換する光結合構造、並びにそれを用いた光結合器及び光モジュールに関する。 The present invention relates to an optical coupling structure, and an optical coupler and an optical module using the optical coupling structure. More specifically, the present invention relates to an optical coupling structure that converts guided light between two optical waveguides having different numbers of cores. The present invention relates to an optical coupler and an optical module used.
光通信機器に用いられる光半導体装置などにおいては、光ビームのフィールドサイズの変換機能を備えた光結合構造が必要となることがある。例えば、光源から出力される光ビームのフィールドサイズが、光源に結合される光導波路の導波光のフィールドサイズよりも大きいことがある。(導波路が単一モードである場合は、導波光のフィールドサイズはモードフィールドサイズと同義である。)このような場合、光源からの出力光のフィールドサイズを、光導波路の導波光のフィールドサイズへと変換するために、光結合構造が用いられる。特に、光結合構造を導波路端に接続し、外部光学系(例えば、光源や光ファイバ)との光結合に用いる場合、その光結合構造はスポットサイズ変換器(SSC,Spot−Size Converter)と呼ばれる。 In an optical semiconductor device or the like used for an optical communication device, an optical coupling structure having a function of converting a field size of a light beam may be required. For example, the field size of the light beam output from the light source may be larger than the field size of the guided light of the optical waveguide coupled to the light source. (When the waveguide is a single mode, the field size of the guided light is synonymous with the mode field size.) In such a case, the field size of the output light from the light source is the field size of the guided light of the optical waveguide. An optical coupling structure is used to convert to. In particular, when an optical coupling structure is connected to a waveguide end and used for optical coupling with an external optical system (for example, a light source or an optical fiber), the optical coupling structure is a spot size converter (SSC, Spot-Size Converter). be called.
従来、光源との高効率な光結合を安定的に実現するために、モードフィールドサイズの小さな単一コア光導波路を、光源の出射ビームと同程度のモードフィールドサイズを有する複数コア導波路に変換することが提案されている。単一コア導波路のコアのサイズを小さくするだけでも、導波光のフィールドサイズを広げる効果があるが、コア数変換を行った上で複数コア導波路によって導波光のフィールドサイズを広げる構成にすると、単一の導波路でフィールドサイズを広げる場合に比べてフィールドサイズがコアサイズのばらつきに影響されにくくなり、高効率な光結合を安定的に得ることができる。 Conventionally, in order to stably realize high-efficiency optical coupling with a light source, a single-core optical waveguide with a small mode field size is converted to a multi-core waveguide with a mode field size comparable to the output beam of the light source. It has been proposed to do. Just reducing the core size of a single-core waveguide has the effect of expanding the field size of the guided light. However, when the number of cores is converted and the field size of the guided light is expanded by using a multi-core waveguide. Compared with the case where the field size is increased with a single waveguide, the field size is less affected by variations in the core size, and high-efficiency optical coupling can be stably obtained.
特許文献1は、テーパ構造を用いて単一コア光導波路と複数コア光導波路とを接続する光結合構造を開示している。図1はこのような従来の光結合構造100を示す。図1において、光102Aや光102B等のガウシアン形状の図形は、伝搬光のフィールド分布(強度分布)を表し、強度がeの二乗分の1(約13.5%)となる位置の間隔がフィールドサイズである。さて、光結合構造100に入射された光102Aは、先の広がったテーパ部104を介して、より大きなフィールドサイズを有する光102Bへと変換される。光102Bは、先細りの複数のテーパ部(図1では2つのテーパ部106A及び106B)へと分離されて、光102C及び102Dに変換される。光102C及び102Dのそれぞれは、テーパ部106A及び106Bを伝搬しながらそれぞれのコアの外部へと次第に浸み出し、フィールドの裾の重なりが増すことによって、全体として広がったモードフィールドを有する1つの光102Eへと結合される。光102Eはテーパ部106A及び106Bを伝搬しながら更に広がり、より大きなガウシアン形状に近いフィールドを有する光102Fになる。光結合構造100は、このようにして導波光のフィールドサイズを変換する。
Patent Document 1 discloses an optical coupling structure that connects a single-core optical waveguide and a multi-core optical waveguide using a tapered structure. FIG. 1 shows such a conventional
また、特許文献2及び3は、速度型方向性結合器を用いて単一コア光導波路と複数コア光導波路とを接続する光結合構造を開示している。図2はこのような従来の光結合構造200を示す。光結合構造200に入力された光202Aは、速度型方向性結合器204を介して2つのテーパ部206A及び206Bのそれぞれに入力される光202C及び202Dへと分離される。光202C及び202Dはテーパ部206A及び206Bをそれぞれ伝搬しながらコアの外部へと次第に浸み出し、フィールドの裾の重なりが増すことによって、全体として広がったモードフィールドを有する1つの光202Eへと結合される。光202Eはテーパ部206A及び206Bを伝搬しながら更に広がり、より大きなガウシアン形状に近いフィールドを有する光202Fになる。光結合構造200は、このようにして導波光のフィールドサイズを変換する。
Patent Documents 2 and 3 disclose optical coupling structures that connect a single-core optical waveguide and a multi-core optical waveguide using a speed-type directional coupler. FIG. 2 shows such a conventional
しかしながら、従来の光結合構造は、光損失が大きく、製造コストが高いという問題を有する。先ず、図1に示す光結合構造100においては、先太のテーパ部104と分岐した先細りのテーパ部106A及び106Bとの間の光結合の際に、光102Bから光102Cと光102Dへとフィールドの分布が急激に変化するため、大きな光損失が生じる。
However, the conventional optical coupling structure has a problem that the optical loss is large and the manufacturing cost is high. First, in the
また、図2に示す光結合構造200は、速度型方向性結合器204に含まれるテーパの先端の幅が十分に小さくないと、やはり大きな光損失を生じる。具体的な例として、高さが220nmのシリコンをコアとする光導波路の場合、光の真空中の波長が1.5μmであれば、そのテーパの先端幅を100nm以下にしないと、十分な低損失化を行えない。そのため、製造用に100nm幅のパターニングが可能なリソグラフィ装置を使用しようとすると、一般にパターニング効率が悪いとされる電子線描画装置を用いるか、あるいは効率は良くてもより高価なArF液浸スキャナなどの使用を強いられるのが現状である。その結果、従来技術を用いる限り、いずれのリソグラフィ装置を用いたとしても、製造コストの増大を避けられない。
In the
尚、光結合のために光結合構造を使用する場合、光102Fのフィールドサイズは、光結合する先のフィールドサイズに合わせて決定される。例えば、モードフィールドサイズを3μmにしたければ、2コア導波路の先端幅を130μmとし、コアの間隔を1μmにすればよい。
このように、従来技術によれば、十分に高い光結合効率を発揮する、コア数変換型の光結合構造を、低コストで実現することができないという問題がある。したがって、導波光のフィールドサイズを高効率で変換でき、かつ低コストで製造できるコア数変換型光結合構造を提供することが、課題である。
When the optical coupling structure is used for optical coupling, the field size of the
Thus, according to the prior art, there is a problem that a core number conversion type optical coupling structure that exhibits sufficiently high optical coupling efficiency cannot be realized at low cost. Accordingly, it is an object to provide a core number conversion type optical coupling structure that can convert the field size of guided light with high efficiency and can be manufactured at low cost.
また、コア数変換型の光結合構造は、スポットサイズ変換器としての用途以外にも、コア数の異なる複数コア導波路間で高効率な光結合を行うために用いられることがある。複数コア導波路自体は、例えば、コア間のクラッドに分布する光を効率的にクラッドの材料に作用させるなどの目的で用いられる。従来は1つのコアの導波路と複数のコアの導波路の間の光結合のみが想定されていたため、複数コア導波路と異なるコア数の別の複数コア導波路との高効率光結合のための実用的な光結合構造が無かった。したがって、異なるコア数の複数コア導波路の間で導波光を高効率に変換できる光結合器構造を提供することも、もう一つの課題となっている。 In addition to the use as a spot size converter, the core number conversion type optical coupling structure may be used for highly efficient optical coupling between a plurality of core waveguides having different core numbers. The multi-core waveguide itself is used, for example, for the purpose of causing light distributed in the clad between the cores to efficiently act on the clad material. Conventionally, only optical coupling between a single-core waveguide and a plurality of core waveguides has been assumed, so that high-efficiency optical coupling between a multi-core waveguide and another multi-core waveguide having a different number of cores is possible. There was no practical optical coupling structure. Accordingly, it is another problem to provide an optical coupler structure that can convert guided light between a plurality of core waveguides having different numbers of cores with high efficiency.
本発明の実施例において、光結合構造やコア数の異なる導波路を光結合するためなどに用いるコア数変換型の光結合構造は、M個(Mは1以上の整数)のコアを備えるMコア導波路とN個(NはMより大きい整数)のコアを備えるNコア導波路を備え、前記Nコア導波路のN個のコアのそれぞれの横幅の内の最大値は、前記Mコア導波路のM個のコアのそれぞれの横幅の内の最小値のN分のM倍以下であり、前記Mコア導波路とNコア導波路との間には少なくともM個とN個の入出力ポートを有する多モード干渉計導波路コアを備え、前記Mコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのM個の入出力ポートに接続され、前記Nコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのN個の入出力ポートに接続され、前記Nコア導波路のコアと、それらのコアが接続される前記多モード干渉計導波路コアのそれぞれの入出力ポートとの間に前記Nコア導波路に向かって幅が漸減するテーパ導波路コアを有し、前記テーパ導波路コアのそれぞれの中心軸の間隔は、隣り合うもの同士の間で、一定であるか、または多モード干渉計導波路から離れるにつれて漸増あるいは漸減する。 In an embodiment of the present invention, the core number conversion type optical coupling structure used for optical coupling of optical coupling structures or waveguides having different numbers of cores has M cores (M is an integer of 1 or more). An N-core waveguide having a core waveguide and N cores (N is an integer greater than M) is provided, and the maximum value of the lateral widths of the N cores of the N-core waveguide is the M-core waveguide. Less than M times N times the minimum value of the width of each of the M cores of the waveguide, and at least M and N input / output ports between the M core waveguide and the N core waveguide A multi-mode interferometer waveguide core, each core of the M-core waveguide is connected to M input / output ports of the multi-mode interferometer waveguide core, and each core of the N-core waveguide Are connected to the N input / output ports of the multimode interferometer waveguide core. Tapered waveguide core whose width gradually decreases toward the N-core waveguide between the core of the N-core waveguide and each input / output port of the multimode interferometer waveguide core to which the cores are connected The distance between the central axes of the tapered waveguide cores is constant between adjacent ones, or gradually increases or decreases as the distance from the multimode interferometer waveguide increases.
実施例において、上記多モード干渉計導波路コアの導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有する。
実施例において、Mは1であってもよく、その場合、Nは2であってもよい。
In the embodiment, the multi-mode interferometer waveguide core has a line-symmetric structure with respect to the central axis in the waveguide direction.
In an embodiment, M may be 1, in which case N may be 2.
実施例において、Nコア導波路のN個のそれぞれのコアの横幅は全て、N個のコアの任意の2つの間隔よりも小さい。
本発明の実施例による光結合器は、上記のような光結合構造を含む。
In an embodiment, the width of each of the N cores of the N core waveguide is all less than the spacing between any two of the N cores.
An optical coupler according to an embodiment of the present invention includes an optical coupling structure as described above.
実施例において、光結合器のMコア導波路は端面を備えてもよい。その場合、Mコア導波路の長さがゼロでもよい。
実施例において、Nコア導波路が端面を備えてもよい。その場合、Nコア導波路の長さがゼロでもよい。
In an embodiment, the M core waveguide of the optical coupler may have an end face. In that case, the length of the M core waveguide may be zero.
In an embodiment, the N core waveguide may have an end face. In that case, the length of the N-core waveguide may be zero.
本発明の実施例による光モジュールは、上記のような光結合器と光源とを備え、光結合器の端面に光源が光結合されてもよい。 An optical module according to an embodiment of the present invention may include the optical coupler and the light source as described above, and the light source may be optically coupled to the end face of the optical coupler.
本発明の実施例を、図面を参照して以下に説明する。図3は、本発明の実施例による光結合構造300を概略的に示す。光結合構造300は、1つのコアを備える単一モード導波路(1コア導波路)から入力される光を2つのコアを備える単一モード導波路(2コア導波路)のモードフィールドを有する光へと変換して出力する。通常、1コア導波路のモードフィールドよりも2コア導波路のモードフィールドの方が大きいため、この効果を利用すれば、光結合構造300に端面を備えることによって、外部光学系との光結合を行うためのスポットサイズ変換器として用いることもできる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 schematically illustrates an
光結合構造300は、M個(Mは1以上の整数、図3においてはM=1)の第1の入出力ポート308とN個(NはMより大きい整数、図3においてはN=2)の第2の入出力ポート310A及び310B、を有する多モード干渉計導波路コア304を備える。多モード干渉計導波路コア304において、第1の入出力ポート308が入力側である場合には第2の入出力ポート310A及び310Bが出力側であり、第1の入出力ポート308が出力側である場合には第2の入出力ポート310A及び310Bが入力側である。
The
光結合構造300は、さらに、第2の入出力ポート310A及び310Bに各々が接続されるテーパ光導波路312A及び312Bを備える。図3に示すように、テーパ光導波路312A及び312Bは、多モード干渉計導波路コア304の外部に向かって(すなわち、多モード干渉計導波路コア304から遠ざかる方向に沿って)幅が漸減するように構成される。
The
図3に示すように、多モード干渉計導波路コアの第1の入出力ポート308には、M個のコアを備えるMコア導波路(M=1より、1コア導波路)のコア314が接続されてもよい。また、テーパ導波路コアの312A及び312Bの細い方の端部には、N個のコアを備えるNコア導波路316(N=2より、2コア導波路)のコア316A及びコア316Bのそれぞれが接続されてもよい。
As shown in FIG. 3, the first input /
2コア導波路を含めて、ここで言う複数コア導波路は、近接した複数のコアを含む単一モード導波路のことであり、平行する全てのコアを導波光の電磁界が同じ位相で伝搬する導波モードのみを有する。ここで、単一モード導波路と言うとき、TE偏波又はTM偏波の少なくともいずれか一方の偏波に関して単一モードである導波路のことを指す。このような複数コア導波路に似て非なる導波路構造として、単独の導波路のコアを単に並列に配置しただけの構造があるが、その構造の場合には、各コアを伝搬する光の位相は必ずしも揃っておらず、互いに独立して変化することもある。複数コア導波路と普通の単一コア導波路の単純な並列配置との構造状の違いは、定性的に言うと、前者の導波路に含まれる全てのコアの幅や高さが、後者の並列導波路のどのコアに比べても各段に小さいことである。この条件を十分に満たすことによって、単一の導波モードしか存在できないようにすることができる。 A multi-core waveguide, including a two-core waveguide, is a single-mode waveguide that includes a plurality of adjacent cores. The electromagnetic field of guided light propagates through all the parallel cores in the same phase. It has only a guided mode. Here, a single mode waveguide refers to a waveguide that is single mode with respect to at least one of TE polarization and TM polarization. As a waveguide structure similar to such a multi-core waveguide, there is a structure in which the cores of a single waveguide are simply arranged in parallel, but in this case, the light propagating through each core The phases are not necessarily aligned and may change independently of each other. Qualitatively speaking, the difference in structure between a multi-core waveguide and a simple parallel arrangement of ordinary single-core waveguides is that the width and height of all cores contained in the former waveguide are It is smaller in each stage than any core of the parallel waveguide. By satisfying this condition sufficiently, only a single guided mode can exist.
Mコア導波路とそれよりもコア数の多いNコア導波路が共に単一モード導波路であるとき、Mコア導波路の個々のコアの幅と、Nコア導波路の個々のコアの幅は略反比例する。これは、単一モードが維持されるコアの総断面積の最大値が略一定のためである。最もコア幅の比が大きいのは1コア導波路と2コア導波路の場合で、2コア導波路の個々のコアの幅は、最大でも、1コア導波路のコアの幅の略半分である。従って、定量的には、Mコア導波路が単一モード導波路であることが分かっているとき、Nコア導波路のN個のコアのそれぞれの幅の内の最大値が、Mコア導波路のM個のコアのそれぞれの幅の内の最小値のN分のM倍以下となるようにNコア導波路の幅を設計すると、Nコア導波路も単一モード導波路とすることができる。 When the M core waveguide and the N core waveguide having a larger number of cores are both single mode waveguides, the width of each core of the M core waveguide and the width of each core of the N core waveguide are It is approximately inversely proportional. This is because the maximum value of the total cross-sectional area of the core in which the single mode is maintained is substantially constant. The ratio of the core widths is the largest in the case of the one-core waveguide and the two-core waveguide. The width of each core of the two-core waveguide is at most about half the width of the core of the one-core waveguide. . Therefore, quantitatively, when it is known that the M-core waveguide is a single-mode waveguide, the maximum value among the widths of the N cores of the N-core waveguide is the M-core waveguide. If the width of the N-core waveguide is designed to be not more than M times N of the minimum value of the width of each of the M cores, the N-core waveguide can also be a single-mode waveguide. .
光結合構造300は、多モード干渉計導波路コア304の導波方向の中心軸に対して線対称の構造を有するように構成されてもよい。
テーパ光導波路312A及び312Bの中心軸同士の間の間隔は、第2の入出力ポート310A及び310Bとコア316A及び316Bとの間において一定であってもよいし、又は、コア316A及び316Bに近づくにつれて漸増または漸減してもよい。
The
The distance between the central axes of the tapered
第1の入出力ポート308に接続される光導波路コア314に沿って導波される光のフィールドサイズは、複数コア導波路316のコア316A及び316Bに沿って導波される光のフィールドサイズとは異なる。したがって、光結合構造300は、異なるコア数を含む複数コア導波路間の高効率な光結合を行うと同時に、導波光のフィールドサイズを変換する効果を有する。
The field size of light guided along the
図4は、図3の光結合構造300の動作を示す。導波路コア314に沿って伝搬する光302Aは第1の入出力ポート308において多モード干渉計導波路コア304に入力される。多モード干渉計導波路コア304は、入力された光302Bを光302C及び302Dへと分離する。光302C及び302Dは、それぞれ、第2の入出力ポート310A及び310Bを介して、テーパ光導波路コア312A及び312Bへ出力される。テーパ光導波路コア312A及び312Bは、多モード干渉計導波路コア304の外側に向かって幅が漸減するように構成される。このため、光302C及び302Dは、テーパ光導波路コア312A及び312Bに沿って伝搬するにつれて導波路コアから浸み出し、302Eに示すように、これらの光のモードフィールドは裾が重なり、光学的に結合する。光302Eはテーパ光導波路コア312A及び312Bに沿ってさらに伝搬し、モードフィールドの重なりが増して(すなわち、結合が強まって)、大きく広がった1つのモードフィールドを有する光302Fへと完全に結合される(すなわち、単一モードとなる)。この光302Fは、テーパ光導波路コア312A及び312Bにそれぞれ接続される複数コア導波路316のコア316A及び316Bに沿って、この広がったモードフィールドを保ったまま伝搬する。このようにして、光結合構造300は、コア数の異なる複数コア導波路間の光結合を行う過程で、モードフィールドの小さな光302Aをモードフィールドの大きな光302Fへと変換することができる。
FIG. 4 illustrates the operation of the
ここでは、コア314を備える単一コア導波路から入力された光がコア316A及び316Bを備える複数光導波路316に出力される場合の動作を説明した。しかし、当業者であれば、光結合構造300は、光導波路コア316A及び316Bを備える複数コア導波路316から入力された光が光導波路コア314を備える単一コア導波路へと出力されるような、逆向きの動作をすることもできることを理解するであろう。この場合には、光導波路コア316A及び316Bに沿って伝搬してくる大きなモードフィールドを有する光が、テーパ光導波路コア312A及び312Bを介して独立した2つの光に分離され、それぞれ入出力ポート310A及び310Bを介して、多モード干渉計導波路コア304に入力される。
Here, the operation in the case where the light input from the single core waveguide including the
導波路コア314の側から光を入力する場合に戻ると、光結合構造300は、多モード干渉計導波路コア304の使用により、光302Bを、コア312A及び312Bのテーパ導波路に入力される前に、それらのテーパ導波路のフィールド分布に合わせて分離する。そのため、多モード干渉計導波路コア304とテーパ導波路コア312A及び312Bとの間でモードフィールドのミスマッチが生じず、図1に示すような従来の光結合構造と比較して、高い光結合効率を実現する。
Returning to inputting light from the
また、光結合構造300は、その構造に含まれる最小寸法が光導波路コア316A及び316Bの幅(テーパ光導波路コア312A及び312Bの先端の幅)であるので、例えば先に例示した光結合構造の用途であれば、130nmが解像できればよい。図2に示すような従来の光結合構造の場合は、速度型方向性結合器のテーパ先端の100nmを解像するために、ArF液浸スキャナが必要であったが、光結合構造300の場合は、それよりも大幅に安価なArFドライスキャナでパターニングが可能なのである。このように、光結合構造300は、従来技術のように、その構造を解像するためだけにより高価な露光装置の使用を強いられるといった無駄が無い。
In addition, since the minimum dimension included in the
さらに、多モード干渉計導波路コア304は速度型方向性結合器などと比較して、短くしても光ビームの分岐機能が低下しにくく、そのため、より短くできる。速度型方向性結合器の場合は、短くしようとすると、速度型方向性結合器の構成要素である各テーパの間のギャップを狭くして、テーパ間の光の移動を速めなければならない。しかし、上述したように、製造コストの観点から利用できるリソグラフィ装置の解像度には制限があるため、ギャップを狭めるにしても自ずと限界がある。一方、多モード干渉計導波路コア304の場合は、そのようなギャップを構造中に含まないため、リソグラフィの限界によって短くできないことは無い。従来の光結合構造において光を効率よく結合するためには、例えば、80μm程度の長さの速度型方向性結合器を用いる必要があった。これに対して、本実施例の光結合構造300において、多モード干渉計導波路コア304は、同じ光分岐特性を得るために、例えば、5μm程度の長さを有するように構成することができる。このため、本実施例の光結合構造300は、従来の光結合構造と比較してサイズを小さくできる。したがって、本実施例の光結合構造300は、従来の光結合構造よりも、より高い集積度の光モジュールに組み込むことができる。
Further, the multimode
さて、図4に示した光結合構造300において、光導波路コア314に沿って伝搬してくる導波光のフィールド302Aの殆どが光導波路コア314の中に閉じ込められていれば、光導波路コア314と多モード干渉計導波路コア304の接続箇所での反射損失や散乱損失は無視できる程度に小さい。このような状況は、光導波路コア314を構成する媒質中での光の波長に比べて、光導波路コア314の横幅が十分に大きいときに生じる。
In the
しかし逆に、光導波路コア314の横幅が、導波路コア314を構成する媒質中での光の波長と同程度か、或いは小さければ、光導波路コア314からの導波光302Aのフィールドの浸み出しが大きくなり、光導波路コア314と多モード干渉計導波路コア304の接続箇所での反射損失や散乱損失は、無視できないほど大きくなる。その場合は、光導波路コア314と多モード干渉計導波路コア304の間にテーパ導波路を備えればよい。そのような光結合構造について、次に説明する。
On the other hand, if the width of the
図5は、本発明の実施例による光結合構造500を概略的に示す。光結合構造500は、異なるコア数の複数コア導波路の間で、導波光を変換する。光結合構造500は、M個(Mは1以上の整数、図5においてはM=1)の第1の入出力ポート508並びにN個(NはMより大きい整数、図5においてはN=2)の第2の入出力ポート510A及び510Bを有する多モード干渉計導波路コア504を備える。多モード干渉計導波路コア504において、第1の入出力ポート508が入力として機能する場合には第2の入出力ポート510A及び510Bが出力として機能し、第1の入出力ポート508が出力として機能する場合には第2の入出力ポート510A及び510Bが入力として機能する。
FIG. 5 schematically illustrates an
光結合構造500は、さらに、第1の入出力ポート508に接続されるテーパ光導波路コア518並びに第2の入出力ポート510A及び510Bに各々が接続されるテーパ光導波路コア512A及び512Bを備える。図5に示すように、テーパ光導波路コア512A、512B及び518は、多モード干渉計導波路コア504の外側に向かって幅が漸減するように構成される。図5において、光結合構造500は、テーパ光導波路コア518に接続される一定の幅を有する光導波路コア514を有してもよい。また、光結合構造500は、テーパ光導波路コア512A及び512Bにそれぞれ接続される一定の幅を有する光導波路コア516A及び516Bを含む複数コア導波路516を有してもよい。光導波路コア514に沿って導波される光のフィールドサイズは、光導波路コア516A及び516Bの組み合わせによる2コア導波路516に沿って導波される光のフィールドサイズとは異なる。したがって、光結合構造500は、導波光のフィールドサイズを変換することができる。
The
図6は、図5の光結合構造500の動作を示す。光導波路コア514に沿って伝搬する光502Aはテーパ光導波路コア518へ入力される。光導波路コア514の幅が小さいために、光502Aのフィールドは光導波路コア514の外側への浸み出しが大きい。テーパ光導波路コア518は、多モード干渉計導波路コア504に向かって幅が漸増するように構成される。このため、光502Aの浸み出していたフィールドは、テーパ光導波路コア518に沿って伝搬するにつれて、テーパ光導波路コア518の内部に吸収され、殆どのフィールドがコア内に存在する光502Bへと変換される。この光502Bは、第1の入出力ポート508において多モード干渉計導波路コア504に入力される。光502Bのコア518の外への浸み出しは無視できる程度に小さいため、テーパ導波路コア518と多モード干渉計導波路コア504の接続箇所508において生じる反射損失や散乱損失も無視できる程度に小さい。多モード干渉計導波路コア504は、入力された光502Bを、第2の入出力ポート510A及び510Bにそれぞれ結合される光502C及び502Dへと分離する。光502C及び502Dは、それぞれ、第2の入出力ポート510A及び510Bを介して、テーパ光導波路コア512A及び512Bへ出力される。テーパ光導波路コア512A及び512Bは、多モード干渉計導波路コア504の外側に向かって幅が漸減するように構成される。このため、光502C及び502Dは、テーパ光導波路512A及び512Bを伝搬するにつれて光導波路から次第に浸み出し、502Eに示すように、これらの光のモードフィールドの裾は重なる。光502Eはテーパ光導波路コア512A及び512Bに沿ってさらに伝搬し、大きく広がった1つのモードフィールドを有する光502Fへと結合される。この光502Fは、テーパ光導波路コア512A及び512Bにそれぞれ接続される光導波路コア516A及び516Bを含む複数コア導波路516を介して、この広がったフィールドを保ったまま伝搬する。このようにして、光結合構造500は、コア数の異なる複数コア導波路間の光結合を行う過程で、モードフィールドの小さな光502Aをモードフィールドの大きな光502Fへと変換することができる。
FIG. 6 illustrates the operation of the
ここでは、光導波路コア514から入力された光が光導波路コア516A及び516Bへと出力される場合の動作を説明した。しかし、当業者であれば、光結合構造500が、光導波路コア516A及び516Bから入力された光が光導波路コア514へと出力されるように動作することもできることを理解するであろう。この場合、大きなフィールドを有する入射光がより小さなフィールドを有する光へと変換される。
Here, the operation when the light input from the
図7は、本発明の実施例による光結合構造700を概略的に示す。光結合構造700は、図5に示す光結合構造500と同様の構成を有する。光結合構造700は、M個(Mは1以上の整数、図7においてはM=1)の第1の入出力ポート708及びN個(NはMより大きい整数、図7においてはN=2)の第2の入出力ポート710A及び710Bを有する多モード干渉計導波路コア704を備える。光結合構造700は、さらに、第1の入出力ポート708に接続されるテーパ光導波路コア718並びに第2の入出力ポート710A及び710Bに各々が接続されるテーパ光導波路コア712A及び712Bを備える。光結合構造700は、光導波路コア714と、光導波路コア716A及び716Bを含む複数コア導波路716とを有してもよい。テーパ光導波路コア712A及び712Bのうちの少なくとも1つは、一定の幅を有する1つ以上の部分を含むように構成されてもよい。例えば、図7に示すように、テーパ光導波路コア712A及び712Bは、それぞれ、一定の幅を有する(すなわち、幅が漸減/漸増しない)部分720A及び720Bを備えるように構成されてもよい。図示しないが、同様に、テーパ光導波路コア718も、一定の幅を有する1つ以上の部分を有してもよい。
FIG. 7 schematically illustrates an
図8は、本発明の実施例による光結合構造800を概略的に示す。既に述べたように、多モード干渉計導波路コア804は、M個(Mは1以上の整数)の第1の入出力ポート及びN個(NはMより大きい整数)の第2の入出力ポートを有する。図3に示す光結合構造300においてはM=1、N=2であったが、図8に示すように、例えば、M=1、N=3であってもよい。光結合構造800において、光導波路コア814に沿って伝搬して多モード干渉計導波路コア804の第1の入出力ポート808に入力された光は、第2の3つの入出力ポート810A、810B及び810Cへと分離して出力される。出力された光は、それぞれ、テーパ光導波路コア812A、812B及び812Cに沿って伝搬し、1つのモードフィールドを有する光へと結合された後、光導波路コア816A、816B及び816Cの組み合わせによる3コア導波路816に沿って、そのモードフィールドを保持しつつ導波される。
FIG. 8 schematically illustrates an
光導波路コア816A、816B及び816Cは、N個(N=3)のコアを有するNコア導波路、即ち、3コア導波路816のコアである。この3コア導波路816が単一モード導波路であるとき、多くの場合、光導波路コア816A、816B及び816Cのうちの任意の光導波路のコアの横幅は、光導波路コア816A、816B及び816Cのうちの任意の2つの光導波路のコアの間隔よりも小さい。これは、個々の導波路コアからの光フィールドの浸み出しが十分に大きくないと、フィールド間の結合が十分に生じず、単一モードにならないためである。
The
図9は、本発明の実施例による光結合構造900を概略的に示す。多モード干渉計導波路コア904は、M個(Mは1以上の整数)の第1の入出力ポート及びN個(NはMより大きい整数)の第2の入出力ポートを有する。図5に示す光結合構造500においてはM=1、N=2であったが、図9に示すように、例えば、M=2、N=4であってもよい。光結合構造900において、2コア導波路914の光導波路コア914A及び914Bに沿って導波された光は、テーパ光導波路コア918A及び918Bを伝搬する過程で2つの光フィールドに分割された後、多モード干渉計導波路コア904の第1の入出力ポート908A及び908Bに入力される。このように、2つ以上のコアを含む複数コア導波路のコアを多モード干渉計導波路コアに接続する場合は、テーパ導波路コアを介することによって、複数コア導波路と多モード干渉計導波路コアの入力側ポートの間で、光フィールドを連続的(すなわち断熱的)に変化させることができ、反射や散乱による光損失を低減することができる。入出力ポート908A及び908Bから複数コア導波路内に入射された光は、4つの第2の入出力ポート910A、910B、910C及び910Dへと分離して出力される。出力された光は、それぞれ、テーパ光導波路コア912A、912B、912C及び912Dに沿って伝搬し、1つのモードフィールドを有する光へと結合された後、光導波路コア916A、916B、916C及び916Dの組み合わせによる4コア導波路916によって、このモードフィールドを保持しつつ導波される。
FIG. 9 schematically illustrates an
2コア導波路914と4コア導波路916は共に単一モード導波路であるので、光導波路コア916A、916B、916C及び916Dの内の幅の最大値は、光導波路コア914A及び914Bの幅の内の最小値の2分の1以下であってもよい。
Since the two-
本発明の実施例の光結合構造を用いて光結合器(光結合構造)を構成することができる。図10は、図5に示すような本発明の実施例による光結合構造を光結合器1000として用いることによって構成される例示的な光モジュール1030の概略的な平面図を示す。光モジュール1030は、例えば、Si基板の上に二酸化珪素(SiO2)層(埋め込み酸化膜と呼ばれる)と更にその上に表面Si層が積層された構造を有するSOI(Silicon on Insulator)基板上に形成されてもよい。この場合、多モード干渉計導波路コア1004、テーパ光導波路コア1018、1012A及び1012B、並びに光導波路コア1014は、表面Si層を加工して構成することができる。埋め込み酸化膜は下部クラッドとして働く。上部クラッドとして更に二酸化珪素や他の誘電体膜を積層してもよい。本実施例では、多モード干渉計導波路コア1004は、1つの第1の入出力ポートと第2の2つの入出力ポートを有している。第1の入出力ポートはテーパ光導波路コア1018に接続され、第2の入出力ポートはテーパ光導波路コア1012A及び1012Bに接続される。
An optical coupler (optical coupling structure) can be configured using the optical coupling structure of the embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a schematic plan view of an exemplary
本実施例において、第1の入出力ポートは入力として機能し、第2の入出力ポートは出力として機能する。光結合器1000は、光導波路コア1014に沿って導波された光を、異なるサイズのモードフィールドを有する光導波路1022へと結合する。光導波路1022はコア1024を有する。例えば、光導波路1022は断面が円形であるコア1024を有する光ファイバであってもよい。テーパ光導波路コア1012A及び1012Bは、その横幅の最も狭い端部に一様な端面を有してもよい。または、テーパ光導波路コア1012A及び1012Bに、モードフィールドを維持するための複数コア導波路(2コア導波路)のコアを更に接続し、そのコアに一様な端面を有してもよい。
In this embodiment, the first input / output port functions as an input, and the second input / output port functions as an output. The
光導波路コア1014に沿って導波された光は、テーパ光導波路コア1018を介して多モード干渉計導波路コア1004へ入力される。光は多モード干渉計導波路コア1004によって2つに分離され、テーパ光導波路コア1012A及び1012Bへ出力される。テーパ光導波路コア1012A及び1012Bは多モード干渉計導波路コア1004から離れる方向に沿って漸減する幅を有する。テーパ光導波路コア1012A及び1012Bに沿って伝搬する光は、光モジュール1030の端面に至る過程で1つのモードフィールドを有する光へと結合される。この結合された光のモードフィールドは、光導波路コア1014に沿って導波される光のモードフィールドよりも大きい。したがって、光結合器1000は、小さなモードフィールドを有する光を、より大きなモードフィールドを有する光へと変換して、幅の広いコア1024を有する光導波路1022へと結合することができる。
The light guided along the
テーパ光導波路コア1012A及び1012Bから出力される光は、縦または横に広がった楕円形のモードフィールドを有することがある。この場合、図10に示すように、レンズ1020を用いることによって、楕円形のモードフィールドの光を光導波路1022のコアに対応する円形のモードフィールドの光へと成形してもよい。勿論、テーパ光導波路コア1012A及び1012Bから出力される光のフィールドが光導波路1022のモードフィールドと同程度であれば、このようなレンズは不要であり、突き合わせ接続によって、低損失の光結合が可能である。
The light output from the tapered
図11は、図5に示すような本発明の実施例による光結合構造を光結合器1100として用いることによって構成される例示的な光モジュール1130の概略的な平面図を示す。光モジュール1130は、例えば、SOI基板上に形成されてもよい。この場合、多モード干渉計導波路コア1104、テーパ光導波路コア1118、1112A及び1112B並びに光導波路コア1114は、SOI基板上の表面Si層を加工することによって構成することができる。
FIG. 11 shows a schematic plan view of an exemplary
本実施例において、光モジュール1130上に光源1126が実装される。図11の例において光源1126は半導体レーザであり、活性領域1128を有する。また、テーパ光導波路コア1112A及び1112Bは、その横幅の最も狭い端部に一様な端面を有する。この場合、光源1126はこれらの端面に突き当てられて配置されることによって、光源1126が当該端面に光結合されてもよい。あるいは、テーパ光導波路コア1112A及び1112Bに、モードフィールドを維持するための複数コア導波路(2コア導波路)のコアを更に接続し、そのコアに一様な端面を有してもよい。光モジュール1130において、多モード干渉計導波路コア1104は1つの第1の入出力ポート及び2つの第2の入出力ポートを有し、第1の入出力ポートは出力として機能し、第2の入出力ポートは入力として機能する。光結合器1100は、半導体レーザ1126の活性領域1128から出力される光のフィールドを光導波路コア1114に沿って導波されるのに適したフィールドに変換する。
In this embodiment, a
半導体レーザ1126から出力された光は、テーパ光導波路コア1112A及び1112Bの最も横幅の狭い端部に接続される複数コア導波路(2コア導波路)に入力される。図11に示すように、この複数コア導波路の長さはゼロ、即ち、この複数コア導波路が無くてもよいが、有限の長さがあれば、加工精度の関係で端面位置が多少変動しても、安定した端面形状を得ることができる。テーパ光導波路コア1112A及び1112Bの狭い方の端部に入力された光は、広い方の端部に向かって伝搬するにつれて、別個のモードフィールドを有する2つの光へと分離される。これらの光は多モード干渉計導波路コア1104の2つの第2の入出力ポートにそれぞれ入力され、多モード干渉計導波路コア1104によって1つの光に結合され、第1の入出力ポートからテーパ光導波路コア1118へと出力される。テーパ光導波路コア1118に入力された光のモードフィールドは、テーパ導波路コア1118を介して、光導波路コア1114に沿って導波されるのに適した大きさのモードフィールドを有する光へと変換される。
The light output from the
このように、光モジュール1130においては、本発明の実施例の光結合器1100を用いることによって、大きなモードフィールドを有する半導体レーザから出力される光を、小さなモードフィールドを有する、光導波路コア1114に沿って導波される光へと変換することができる。
As described above, in the
本発明は特定の実施例に関して記載されたが、本明細書に記載された実施例は、本発明を限定的に解釈することを意図したものではなく、本発明を例示的に説明することを意図したものである。本発明の範囲から逸脱することなく他の代替的な実施例を実施することが可能であることは当業者にとって明らかである。 Although the invention has been described with reference to particular embodiments, the embodiments described herein are not intended to be construed in a limiting sense, and are intended to illustrate the invention. It is intended. It will be apparent to those skilled in the art that other alternative embodiments can be practiced without departing from the scope of the invention.
100、200、300、500、700、800、900 光結合構造
102A、102B、102C、102D、102E、102F、202A、202C、202D、202E、202F、302A、302B、302C、302D、302E、302F、502A、502B、502C、502D、502E、502F 伝搬光のフィールド分布
104、106A、106B、206A、206B テーパ部
204 速度型方向性結合器
304、504、704、804、904、1004、1104 多モード干渉計導波路コア
308、508、708、808、908A、908B 第1の入出力ポート
310A、310B、510A、510B、710A、710B、810A、810B、810C、910A、910B、910C、910D 第2の入出力ポート
312A、312B、512A、512B、518、712A、712B、718、812A、812B、812C、912A、912B、912C、912D、918A、918B、1012A、1012B、1018、1112A、1112B、1118 テーパ光導波路コア
314、316A、316B、514、516A、516B、714、716A、716B、814、816A、816B、816C、914A、914B、916A、916B、916C、916D、1014、1114 光導波路コア
316、516、716、816、914、916 複数コア導波路
720A、720B 一定の幅を有する部分
1000、1100 光結合器
1020 レンズ
1022 光導波路
1024 コア
1030、1130 光モジュール
1126 光源
1128 活性領域
100, 200, 300, 500, 700, 800, 900 Optical coupling structure 102A, 102B, 102C, 102D, 102E, 102F, 202A, 202C, 202D, 202E, 202F, 302A, 302B, 302C, 302D, 302E, 302F, 502A, 502B, 502C, 502D, 502E, 502F Propagated light field distribution 104, 106A, 106B, 206A, 206B Taper 204 Speed type directional coupler 304, 504, 704, 804, 904, 1004, 1104 Multimode interference Waveguide core 308, 508, 708, 808, 908A, 908B First input / output port 310A, 310B, 510A, 510B, 710A, 710B, 810A, 810B, 810C, 910A, 910B, 910 910D Second input / output port 312A, 312B, 512A, 512B, 518, 712A, 712B, 718, 812A, 812B, 812C, 912A, 912B, 912C, 912D, 918A, 918B, 1012A, 1012B, 1018, 1112A, 1112B, 1118 Tapered optical waveguide core 314, 316A, 316B, 514, 516A, 516B, 714, 716A, 716B, 814, 816A, 816B, 816C, 914A, 914B, 916A, 916B, 916C, 916D, 914, 1114, 1114 Cores 316, 516, 716, 816, 914, 916 Multiple core waveguides 720A, 720B Parts having a constant width 1000, 1100 Optical coupler 1020 Lens 1022 Optical waveguide 1024 A 1030, 1130 Optical module 1126 Light source 1128 Active region
Claims (11)
M個(Mは1以上の整数)のコアを備えるMコア導波路及びN個(NはMより大きい整数)のコアを備えるNコア導波路であって、前記Nコア導波路のN個のコアのそれぞれの横幅の内の最大値は、前記Mコア導波路のM個のコアのそれぞれの横幅の内の最小値のN分のM倍以下である、Mコア導波路及びNコア導波路と、
前記Mコア導波路とNコア導波路との間に配置される少なくともM個とN個の入出力ポートを有する多モード干渉計導波路コアであって、前記Mコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのM個の入出力ポートに接続され、前記Nコア導波路のそれぞれのコアは前記多モード干渉計導波路コアのN個の入出力ポートに接続される、多モード干渉計導波路コアと、
前記Nコア導波路のそれぞれのコアと、それらのコアが接続される前記多モード干渉計導波路コアのそれぞれの入出力ポートとの間に配置される、前記Nコア導波路に向かって幅が漸減するテーパ導波路コアであって、前記テーパ導波路コアのそれぞれの中心軸の間隔は、隣り合うもの同士の間で、一定であるか、または多モード干渉計導波路から離れるにつれて漸増あるいは漸減する、テーパ導波路コアと
を備えることを特徴とする、光結合構造。 A core number conversion type optical coupling structure that optically couples waveguides having different core numbers,
An M core waveguide having M cores (M is an integer equal to or greater than 1) and an N core waveguide having N cores (N is an integer greater than M), The maximum value of the lateral widths of the cores is equal to or less than M times N times the minimum value of the lateral widths of the M cores of the M core waveguide, and the M core waveguide and the N core waveguide. When,
A multimode interferometer waveguide core having at least M and N input / output ports disposed between the M core waveguide and the N core waveguide, wherein each core of the M core waveguide includes: The multimode interferometer waveguide core is connected to M input / output ports, and each core of the N core waveguide is connected to N input / output ports of the multimode interferometer waveguide core. A mode interferometer waveguide core;
A width toward the N-core waveguide is arranged between each core of the N-core waveguide and each input / output port of the multimode interferometer waveguide core to which the cores are connected. The taper waveguide core gradually decreases, and the interval between the central axes of the taper waveguide cores is constant between adjacent ones, or increases or decreases gradually as the distance from the multimode interferometer waveguide increases. An optical coupling structure comprising: a tapered waveguide core.
光源と
を備え、前記光結合器の前記端面に前記光源が光結合されることを特徴とする光モジュール。 An optical coupler according to claim 7 or 10,
An optical module comprising: a light source; and the light source is optically coupled to the end face of the optical coupler.
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